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Brennstoffzellenfahrzeuge als Variante der elektrischen Fahrzeuge

Erstellt am: 08.11.2023 | Stand des Wissens: 08.11.2023
Synthesebericht gehört zu:

Fahrzeuge mit Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff angetrieben, welcher vorwiegend mit dem Elektrolyseverfahren hergestellt wird. Mittels Elektrolyse lässt sich elektrische Energie in chemische Energie umwandeln. So kann im Fall von Brennstoffzellenfahrzeugen Wasser unter Einsatz von Strom in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten werden, um die Energie im Wasserstoff zu speichern [Kur18].
Funktionsprinzip des Antriebs
Ähnlich einer Batterie, wird in Brennstoffzellenfahrzeugen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und dem Elektromotor bereitgestellt, der das Fahrzeug antreibt. Der wesentliche Unterschied zum batterieelektrischen Antrieb ist, dass der Strom nicht vor der Fahrt zugeladen wird. Stattdessen wird der Wasserstoff mittels einem chemischen Prozesses innerhalb der Brennstoffzelle in Strom umgewandelt und anschließend in der Batterie zwischengespeichert. Die Abbildung 11 stellt das Antriebskonzept von Brennstoffzellenfahrzeugen schematisch dar [EnBW22a].
Schematische Darstellung eines BrennstoffzellenfahrzeugsAbbildung 1: Schematische Darstellung eines Brennstoffzellenfahrzeugs (eigene Darstellung in Anlehnung an EnBW22a; ACEA22; Bay19)
Ressourcenverfügbarkeit
In Bezug auf die Ressourcenverfügbarkeit bietet Wasserstoff die Aussicht auf einen nicht-endlichen Kraftstoff, da er bei der Elektrolyse direkt aus Wasser gewonnen werden kann. Dies ist zum Beispiel sinnvoll, wenn überschüssiger Strom aus Solar- oder Windkraftanlagen verwendet wird, um Wasserstoff herzustellen, und somit nicht verloren geht. Im heutigen Betrieb werden solche Anlagen für erneuerbare Energien pausiert beziehungsweise angehalten, um eine Überlastung des Stromnetzes zu vermeiden. Dieser so gewonnene grüne Wasserstoff kann allerdings nicht in den Mengen bereitgestellt werden, die es für einen flächendeckenden Einsatz von Brennstoffzellenfahrzeugen bedarf. Die Bereitstellung von ausreichend Wasserstoff, insbesondere von nachhaltigem grünem Wasserstoff, stellt somit eine zentrale Herausforderung dar. Der Import von Wasserstoff aus Ländern mit einem hohen Aufkommen erneuerbarer Energien, beispielweise durch Wasserkraft aus Norwegen oder Sonnenenergie aus Marokko, könnte eine Alternative darstellen [Ben22; Rus22; BMWK23d].
Tankinfrastruktur
Des Weiteren stellt die Kompatibilität von Tankstellen für Brennstoffzellen-Personenkraftwagen (Pkw) und Brennstoffzellen-Lastkraftwagen (Lkw), in Bezug auf die Befahrbarkeit der Tankplätze und die Abgabeleistung der Zapfsäulen, eine Schwierigkeit dar. Im Vergleich werden insbesondere für Lkw mit hoher Nutzlast für den Tankvorgang deutlich größere Tankmengen benötigt, welche in einer bestimmten Zeit zur Verfügung gestellt werden müssen. Für Brennstoffzellen-Lkw im deutschen Fernverkehr würden 140 Tankstellen ausreichen, welche auf dem deutschen Autobahnnetz positioniert werden müssten [Ros20]. Im Februar 2023 existieren 161 Wasserstofftankstellen in Deutschland, von denen allerdings nur wenige für Lkw ausgelegt sind [H2M23a]. Durch die Alternative Fuel Infrastructure Directive (AFID) der Europäischen Union soll ein europaweit flächendeckendes Netzwerk an Wasserstofftankstellen aufgebaut werden. Bis zum Jahr 2025 sollen demnach 300 Lkw-geeignete Wasserstofftankstellen in Europa geschaffen werden, davon 85 in Deutschland. Bis zum Jahr 2030 soll das Netz auf 1.000 Tankstellen europaweit, beziehungsweise 300 Tankstellen im deutschen Raum ausgebaut werden. Weiterhin sieht die Richtlinie vor, dass auf dem Fernverkehrsnetz alle 200 Kilometer eine Wasserstofftankstelle verfügbar ist [Richtlinie 2014/94/EU]. Trotzdem ist zum heutigen Zeitpunkt festzuhalten, dass die bestehende Infrastruktur an Wasserstofftankstellen für einen weitreichenden und wirtschaftlich sinnvollen Einsatz von Brennstoffzellen-Lkw, insbesondere im Fernverkehr, nicht vorhanden ist.
Reichweite und Nutzungsszenarien
Der Brennstoffzellenantrieb findet bereits Anwendung in anderen Fahrzeugklassen beziehungsweise Transportmitteln. So existieren seit mehreren Jahren Pkw, Omnibusse und Triebzüge mit Brennstoffzellen [Fra17; Als21]. Besonders die Erkenntnisse des Brennstoffzellenantriebs für Busse weisen aufgrund des Fahrzeuggewichts die größten Übereinstimmungen in der Übertragbarkeit auf den Brennstoffzellenantrieb für Lkw auf. Somit ist die Anwendbarkeit des Antriebs für Nutzfahrzeuge absehbar. Speicherkapazitäten von 25 Kilogramm Wasserstoff sollten für eine Vielzahl an Nutzungsszenarien im Nah- und Regionalverkehr ausreichend sein. Für den Langstreckeneinsatz hingegen wird das Maximum der Tankkapazität benötigt werden, welches nach heutigem Stand bei bis zu 70 Kilogramm liegt. Die Integration noch größerer Tanks ist vor allem durch die Längenbegrenzung für Zugmaschinen durch Regularien der Europäischen Union verhindert. Bei einem Verbrauch von circa 7 Kilogramm Wasserstoff auf 100 Kilometern lässt sich somit von einer maximalen Reichweite von ungefähr 1.000 Kilometern ausgehen [Ben22]. Grundsätzlich können somit sowohl Nutzungsszenarien im Nah- und Regionalverkehr, als auch im Fernverkehr mit Brennstoffzellenfahrzeugen realisiert werden.
Bewertung von Brennstoffzellenfahrzeuge zur Dekarbonisierung im Straßengüterverkehr
Das Potenzial zur Reduktion von Treibhausgasemissionen für den Straßengüterverkehr für Brennstoffzellen-Lkw, liegt einer Studie des Instituts für Energie- und Umweltforschung Heidelberg zufolge im Jahr 2030 bei 27 Prozent im Vergleich zur Referenztechnologie des Diesel-Lkw. Allerdings unterliegen die Berechnungen der Annahme, dass importierter, vollständig aus erneuerbaren Quellen hergestellter Wasserstoff eingesetzt wird. Brennstoffzellen-Lkw müssen im ersten Schritt wirtschaftlich für die betreffenden Transportunternehmen sinnvoll sein, damit Transportunternehmen diese als Alternative in ihren Fuhrpark integrieren. Erst dann wird die Technologie Treibhausgasemissionen in nennenswertem Umfang reduzieren [Jöh22]. Ähnlich wie bei batterieelektrischen Lkw ist bei Brennstoffzellen-Lkw der Strommix von essentieller Bedeutung. Ohne Herstellung des Wasserstoffs aus erneuerbaren Energien kann die Technologie ihr Potenzial zum Klimaschutz nicht umfänglich entfalten [BaWü20].
Bewertung von Brennstoffzellenfahrzeuge hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit
Zum heutigen Zeitpunkt sind Brennstoffzellen-Lkw, insbesondere in der Anschaffung, deutlich teurer als vergleichbare Diesel-Lkw. Eine Untersuchung der Technischen Universität Hamburg und M-FIVE ergab, dass die Total Cost of Ownership (TCO) für Brennstoffzellen-Lkw im Jahr 2030 höher sind als für vergleichbare Dieselfahrzeuge. Für Nutzfahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht (zGG) zwischen 12 und 20 Tonnen liegen die erwarteten Kosten um 23 Prozent höher. Für Lkw über einem zGG von 20 Tonnen würden die TCO 25 Prozent mehr betragen und für Sattelzugmaschinen mit 40 Tonnen zGG 24 Prozent mehr. Als Ursache der hohen Kosten wurden vor allem die hohen Energiekosten für den Bezug von Wasserstoff genannt [NPM20b]. Brennstoffzellen-Lkw sind derzeit von der Lkw-Maut in Deutschland ausgenommen. Dies gilt ebenfalls für Erdgas- oder Hybrid-Fahrzeuge und ist nicht an weitere Bedingungen, wie zum Beispiel die elektrische Fahrleistung, gebunden [UBA21ab].
Vorteile & Nachteile von Brennstoffzellenfahrzeugen im Vergleich zu Dieselfahrzeugen
Brennstoffzellen-Lkw bieten aufgrund der positiven Eigenschaften des Kraftstoffs großes Potenzial zur Dekarbonisierung im Straßengüterverkehrs. Die Technologie könnte für eine Reihe von Anwendungsszenarien im Nah-, Regional- und Fernverkehr eingesetzt werden und eignet sich ebenfalls für den Schwerlastverkehr. Die großen Herausforderungen der Technologie bleiben die hohen Anschaffungskosten sowie die preisgünstige Bereitstellung von Wasserstoff. Ohne eine Preisparität zum Diesel-Lkw kann sich die Technologie allerdings nicht durchsetzen. Hinzu kommt, dass der verwendete Wasserstoff aus erneuerbaren Energien hergestellt sein muss, damit Brennstoffzellen-Lkw eine positive Wirkung auf die Klimabilanz des Straßengüterverkehrs nehmen können.
Ansprechpartner
Technische Universität Hamburg, Institut für Verkehrsplanung und Logistik, Prof. Dr.-Ing. H. Flämig
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Elektrische Fahrzeuge als Alternative zu Dieselfahrzeugen (Stand des Wissens: 12.12.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?578531
Literatur
[ACEA22] Association des Constructeurs Européens d'Automobiles (ACEA) (Hrsg.) Fuel types of new trucks, 2022/03/08
[Als21] Alstom Transport (Hrsg.) Coradia iLint: der weltweit erste Wasserstoffzug, 2021
[BaWü20] Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg (Hrsg.) GÜTERVERKEHRSKONZEPT Baden Württemberg, 2020/07
[Bay19] Bayern Innovativ: Bayerische Gesellschaft für Innovation und Wissenstransfer mbH (Hrsg.) Trucks sollen künftig mit grünem Wasserstoff fahren, 2019/11
[Ben22] Bensmann, Dr.-Ing. Boris , Benz, Dr. Thomas Benz, Brandt, Dipl.-Ing. Torsten, Grube, Dr.-Ing. Thomas , Kleimaier, Dr. Martin , Konstantinidou, Dr.-Ing. Eleni , Meyer, Dipl.-Ing. Stefan , Pokojski, Dipl.-Ing. Martin , Samsun, Dr.-Ing. Remzi Can , Schlosser, Dipl.-Ing. Gerhard, Cremers, Dr. Carsten Klimafreundliche Nutzfahrzeuge, 2022/01, ISBN/ISSN 978-3-931384-98-2
[BMWK23d] Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Hrsg.) Norwegen und Deutschland verstärken Energiekooperation auf dem Weg zur Klimaneutralität, 2023/01/05
[EnBW22a] EnBW Energie Baden-Württemberg AG (Hrsg.) Wasserstoffautos: Das etwas andere E-Auto mit Brennstoffzellenantrieb, 2022/06
[Fra17] Fraunhofer Institut Materialfluss und Logistik (IML), Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel , PTV Planung Transport Verkehr AG Brennstoffzellen-Lkw: kritische Entwicklungshemmnisse, Forschungsbedarf und Marktpotential, 2017/08
[H2M23a] H2 MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG (Hrsg.) H2 Mobility, 2023
[Jöh22] Jöhrens, Julius, Allekotte, Michel, Heining, Florian, Helms, Hinrich, Räder, Dominik, Köllermeier, Nadine, Waßmuth, Volker Vergleichende Analyse der Potentiale von Antriebstechnologien für Lkw im Zeithorizont 2030
, 2022/01
[Kur18] Kurzweil, Prof. Dr. Peter , Dietlmeier, Prof. Dr. Otto K. Elektrochemische Speicher, Springer Fachmedien, Wiesbaden., 2018, ISBN/ISSN 978-3-658-21828-7
[NPM20b] Nationale Plattform Zukunft der Mobilität, Arbeitsgruppe 1 Klimaschutz im Verkehr WERKSTATTBERICHT ANTRIEBSWECHSEL NUTZFAHRZEUGE, 2020/12
[Ros20] Rose, Philipp , Wietschel, Martin , Gnann, Till Wie könnte ein Tankstellenaufbau für Brennstoffzellen-Lkw in Deutschland aussehen? , 2020
[Rus22] Rust, Selina Wie erneuerbare Energien ausbauen?, 2022
[UBA21ab] Öko-Institut e.V. Institut für angewandte Ökologie Mobilität in die Zukunft steuern: Gerecht, individuell und nachhaltig, 2021, ISBN/ISSN 1862-4804
Rechtsvorschriften
[Richtlinie 2014/94/EU] Richtlinie 2014/94/EU
Glossar
O2
= Sauerstoff. Im Normzustand ist Sauerstoff ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Es ist sehr reaktiv, fast jedes chemische Element, abgesehen von Edelgasen, reagiert mit Sauerstoff, um Verbindungen zu bilden.
Sauerstoff ist von großer Bedeutung, weil er wesentlich an den Atmungsprozessen der meisten lebenden Zellen und an Verbrennungsprozessen beteiligt ist. Es ist das am häufigsten vorkommende Element der Erdkruste. Die Luft besteht zu fast einem Fünftel (Volumen) aus Sauerstoff. Ungebundener gasförmiger Sauerstoff besteht normalerweise aus einem zweiatomigen Molekül (O2), es gibt ihn aber auch in dreiatomiger Form (O3,) besser bekannt unter dem Begriff Ozon.
Strommix Der Strommix gibt an, zu welchen Anteilen der Strom aus welchen Energieträgern stammt. Als Energieträger gelten dabei fossile Rohstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas, daneben Kernenergie und auch erneuerbare Energien. Dazu kann eine regionale Abgrenzung vorgenommen werden, z.B. nach deutschem oder europäischem Strommix.
Hybrid
Der Ausdruck Hybrid bedeutet "etwas Gebündeltes, Gekreuztes oder Gemischtes". Es stammt ab von dem lateinischen Fremdwort griechischen Ursprunges Hybrida. In der Technik wird ein hybrides System, aus zwei unterschiedlichen Technologien miteinander kombiniert.
Lkw Lastkraftwagen (Lkw) sind Kraftfahrzeuge, die laut Richtlinie 1997/27/EG überwiegend oder sogar ausschließlich für die Beförderung von Gütern und Waren bestimmt sind. Oftmals handelt es sich dabei um Fahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse zwischen 3,5 und 12 Tonnen. In Einzelfällen kann die zulässige Gesamtmasse diese Werte jedoch auch unter- beziehungsweise überschreiten, sofern das Kriterium der Güterbeförderung gegeben ist. Lastkraftwagen können auch einen Anhänger ziehen.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?576571

Gedruckt am Dienstag, 28. Mai 2024 19:29:34